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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Terahertz-Bildern.
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Heutige bildgebende Terahertz-Systeme z.B. zur Sicherheitskontrolle von Personen und sicherheitsrelevanten Objekten aus bis zu einigen 10 Metern Entfernung können kleinste Temperaturunterschiede (< 0,1K) auf dem Körper von zu untersuchenden Personen/Objekten, auch durch Kleidung, Stoff, Verpackungsmaterial u.ä. hindurch, feststellen. Die vom Körper/Objekt reflektierte bzw. abgestrahlte Terahertz-Strahlung wird dabei vom benutzten Detektionssystem als messbare Intensität aufgezeichnet und durch computergestützte Verfahren in Bilder umgewandelt. Moderne Systeme sind dabei so hochauflösend, dass im Falle von Personen selbst Objekte unter der Kleidung und auch Körperteile mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von Millimetern in den Bildern zu erkennen sind.
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Die meisten der heutigen bildgebenden Terahertz-Systeme benutzen nur Intensitätsinformationen, die ihr das Detektionssystem direkt zur Verfügung stellt. In den meisten Fällen sind Phaseninformationen für eine weitere Analyse gar nicht zugänglich oder nur unter großem Aufwand nutzbar. Ein Nachteil der Intensitätsmessung ist, dass sie direkt von Rauschen beeinträchtigt wird. Phaseninformationen wären u.a. gegenüber Rauschen robuster. Das Rauschproblem hat zur Folge, dass sehr teure Detektoren für Terahertz-Systeme benötigt werden, um eine gute Detektionswahrscheinlichkeit von verborgenen Objekten zu erreichen. Die Verwendung von Detektoren, die trotz Rauschens eine hohe Temperaturauflösung haben, hat ein weiteres Problem zur Folge. Durch hochauflösende Eigenschaften der modernen Terahertz-Systeme stellen sie einen potentiellen Eingriff in die Privatsphäre dar, der von vielen zu untersuchenden Personen nicht akzeptiert wird. Dieses als "Nacktscannerproblem" bekannte Phänomen ist ein entscheidender Grund, welcher eine weitläufige Verwendung der neuesten Terahertz-Systeme für Personen-Sicherheitsanwendungen bis zum heutigen Tag verhindert hat.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Terahertz-Bildern zu schaffen, mittels derer das Rauschproblem reduziert wird und das „Nacktscannerproblem“ vermieden werden kann sowie ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung von Terahertz-Bildern eine Eingangsoptik, mindestens einen Detektor und eine Auswerteeinheit zur Erzeugung von Terahertz-Bildern aus den Detektorwerten. Die Vorrichtung weist weiter einen Referenzstrahlungskörper mit einer Referenzstrahlung und eine Umschaltvorrichtung auf, wobei die Umschaltvorrichtung derart ausgebildet ist, dass mit einer Frequenz eine Objektstrahlung oder die Referenzstrahlung auf den Detektor gelenkt wird.
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Weiter weist die Vorrichtung eine Vergleichsschaltung auf, die derart ausgebildet ist, dass diese die Detektorwerte der Objektstrahlung und der Referenzstrahlung unter Berücksichtigung der Frequenz der Umschaltvorrichtung vergleicht und ein Vorzeichen generiert, ob die Intensität der Objektstrahlung größer oder kleiner als die Referenzstrahlung ist, wobei das Vorzeichen und die Detektorwerte der Objektstrahlung an die Auswerteeinheit übermittelt werden. Das generierte Vorzeichen stellt eine relative Phaseninformation bezüglich der Umschaltfrequenz dar, die dazu genutzt werden kann, das Rauschproblem zu mindern. Die Messung der Intensität des Referenzstrahlers dient ferner dazu, die Intensitäts-/Temperatur-Kalibration der Bilder und damit deren Qualität zu verbessern. Des Weiteren ermöglicht die Vorrichtung eine in Hardware implementierte Kantendetektion, die in bisherigen Techniken nur in Software, nach der Bildaufnahme, implementiert werden konnte. Die in Hardware implementierte Kantendetektion ermöglicht somit die Anwendung von Bildverarbeitungskonzepten noch während der Bildaufnahme, sodass auf die Entstehung von Bildern verzichtet werden kann, die die Privatsphäre von zu untersuchenden Personen verletzen könnten, d.h. das „Nacktscannerproblem“ wird vermieden bzw. verringert. Dabei wird die Intensität der Referenzstrahlung derart gewählt, dass diese möglichst dem Mittelwert der Intensitäten von beiden Seiten der Kante entspricht.
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Die Bilderzeugung/ Kantendetektion basiert darauf, dass auf beiden Seiten der Kante im abzubildenden Subjekt/Objekt die Strahlungsleistung (Intensität) unterschiedlich ist und, wenn die Kante abgebildet wird, ein Mittelwert der Strahlungsleistungen links und rechts der Kante gemessen wird. Wenn dieser Mittelwert der Strahlungsleistung des Referenzstrahlungskörpers entspricht, zeigt die phasenabhängige Detektion kein Signal. Ein Signal wird aber angezeigt, wenn die Strahlungsleistung komplett von einer Seite der Kante kommt. Ist die Strahlungsleistung von der jeweiligen Seite der Kante kleiner bzw. größer als die Strahlungsleistung des Referenzstrahlungskörpers, so wird ein Signal gemessen, das ein unterschiedliches Vorzeichen hat, je nachdem, ob die Strahlungsleistung größer oder kleiner als die des Referenzstrahlungskörpers ist.
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Der Strahlungsleistung (Intensität) des Referenzstrahlungskörpers lässt sich eine Temperatur zuordnen, wobei die Strahlungsleistung derart gewählt wird, dass die zugeordnete Temperatur zwischen der zu erwartenden Hintergrundtemperatur (bei Personen ca. 37°C) und der Temperatur des Objekts (z.B. eine am Körper versteckte Waffe) liegt. Dadurch werden andere am Körper getragene Objekte durch die Kantendetektion mit hoher Nachweisempfindlichkeit erkannt,. Der Detektor kann dabei ein Einzelpixel-Detektor oder ein Multipixel-Detektor sein, wobei bei Einzelpixel-Detektoren eine entsprechende Scan-Bewegung realisiert werden muss. Die Eingangsoptik ist beispielsweise als Cassegrain-Teleskop ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist die Umschaltvorrichtung ein schaltbarer Spiegel oder eine schaltbare Spiegelmatrix. Der schaltbare Spiegel kann beispielsweise als mechanischer Lichtzerhacker oder als elektrisch steuerbarer Lichtmodulator ausgebildet sein (z.B. als Mikrospiegel bzw. als Mikrospiegelarray).
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Referenzstrahlungskörper derart ausgebildet, dass mindestens die Intensität der Referenzstrahlung veränderbar ist. Somit kann beispielsweise während der Messung die Referenzstrahlung angepasst werden, was veränderte Vorzeichen und damit auch andere Kanten detektiert. Im einfachsten Fall ist der Referenzstrahlungskörper ein elektrisch steuerbarer Wärmestrahler. Alternativ kann der Referenzstrahlungskörper auch durch mikrowellenbasierte Vervielfacherquellen, Rauschdioden, Rückwärtswellenoszillatoren oder Laser (z.B. Quantenkaskadenlaser) gebildet werden, die jeweils kohärente Strahlungsquellen darstellen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist dem Referenzstrahlungskörper ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator zugeordnet, der derart ausgebildet ist, dass dieser die Intensität und räumlich und zeitlich die Referenzstrahlung modulieren kann. Der Lichtmodulator kann dabei sowohl als transmittiver Lichtmodulator (z.B. als LCD-Matrix) als auch als reflektiver Lichtmodulator (z.B. als Mikrospiegel-Array) ausgebildet sein. Auch Ausführungsformen aus mechanischen Masken aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Metallmasken, Kunststoffmasken, Absorbermasken oder aber auch Masken aus verschiedenen Halbleitermaterialien sind möglich. Durch die räumliche und zeitliche Modulation lässt sich ein „Compressed Sensing“ durchführen, sodass die Zeit zur Erzeugung der Terahertz-Bilder reduziert werden kann. Vorzugsweise ist zwischen dem Lichtmodulator und der Umschaltvorrichtung eine Terahertz-Optik angeordnet. Diese kann beispielsweise aus Halbleitern oder Polymeren bestehen oder als metallische Spiegeloptik ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor als inkohärenter Detektor ausgebildet, beispielsweise als pyroelektrischer Detektor, als Golay-Zelle, als Bolometer, als Photoleiter oder als CMOS-Detektor. Alternativ kann der Detektor auch als kohärenter Detektor ausgebildet sein, beispielsweise als Heterodynempfänger.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Vergleichsschaltung als Lock-In-Verstärker ausgebildet, der einfach die geforderte Funktionalität umsetzen kann und relativ preiswert ist. Prinzipiell kommen aber auch andere elektronische Geräte, welche Frequenznormale zur Verfügung stellen, infrage. Ein Beispiel hierfür sind Vektornetzwerkanalysatoren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor derart ausgebildet, dass dieser elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,1 bis 30 THz erfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine zusätzliche Lichtquelle zur Bestrahlung des Objekts.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung von Terahertz-Bildern und
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2 ein schematisches Blockschaltbild eines Referenzstrahlungskörpers.
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In der 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Terahertz-Bildern dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Eingangsoptik 2, die beispielsweise als Cassegrain-Teleskop ausgebildet ist. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 mindestens einen Detektor 3 für Terahertz-Strahlung sowie eine Auswerteeinheit 4 zur Erzeugung von Terahertz-Bildern aus den Detektorwerten des Detektors 3. Dem Detektor 3 ist eine Steuereinheit 5 zugeordnet, die den Detektor 3 ansteuert. Die Steuereinheit 5 erhält dabei ihre Ansteuerbefehle durch die Auswerteeinheit 4. Dabei ist es auch denkbar, die Steuereinheit 5 in die Auswerteeinheit 4 zu integrieren. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 einen Referenzstrahlungskörper 6 mit einer Steuereinheit 7 sowie eine Umschaltvorrichtung 8 mit einer Steuereinheit 9. Die Steuereinheiten 7, 9 erhalten dabei ihre Ansteuersignale ebenfalls von der Auswerteeinheit 4. Die Umschaltvorrichtung 8 ist dabei derart ausgebildet, dass diese mit einer Frequenz f eine Objektstrahlung O oder eine Referenzstrahlung R vom Referenzstrahlungskörper 6 auf den Detektor 3 lenkt. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Vergleichsschaltung 10, die beispielsweise als Lock-In-Verstärker ausgebildet ist. Die Vergleichsschaltung 10 erhält die Detektorwerte des Detektors 3 sowie die Frequenz f, mit der die Umschaltvorrichtung 8 zwischen der Referenzstrahlung R und der Objektstrahlung O umschaltet. Schließlich weist die Vorrichtung 1 ein Gehäuse 11 auf, um insbesondere den Detektor 2 vor Störstrahlung zu schützen, sowie eine Lichtquelle 12 auf, mittels derer ein Objekt bestrahlt werden kann.
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Die Vergleichsschaltung 10 generiert aus den Detektorwerten des Detektors 3 für die Referenzstrahlung R und die Objektstrahlung O unter Berücksichtigung der Frequenz f als Frequenznormale eine relative Phaseninformation, die in Echtzeit zur Kantendetektion verwendet werden kann, um beispielsweise am Körper getragene Gegenstände hervorzuheben. Die Kantendetektion basiert darauf, dass auf beiden Seiten einer Kante im abzubildenden Objekt die Strahlungsleistung unterschiedlich ist. Wird eine Kante abgebildet, wird ein Mittelwert der Strahlungsleistung links und rechts der Kante gemessen. Wenn dieser Mittelwert der Strahlungsleistung der Referenzstrahlung R entspricht, zeigt die phasenabhängige Detektion in der Vergleichsschaltung 10 kein Signal. Ein Signal wird aber angezeigt, wenn die Strahlungsleistung komplett von einer Seite der Kante kommt. Ist die Strahlungsleistung von der jeweiligen Seite der Kante kleiner bzw. größer als die Referenzstrahlung, so wird ein Signal gemessen, das ein unterschiedliches Vorzeichen hat, je nachdem, ob die Strahlungsleistung größer oder kleiner als die der Referenzstrahlung R ist.
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Somit erfolgt nahezu in Echtzeit eine Kantendetektion in der Vergleichsschaltung 10, sodass die Auflösung des Detektors 3 reduziert werden kann und ohne dass nachträgliche Kantendetektions-Algorithmen über die Terahertz-Bilder laufen müssen. Durch eine Anpassung der Strahlungsleistung der Referenzstrahlung R durch die Steuereinheit 7 kann die Kantendetektion entsprechend angepasst werden. Diese Anpassung kann dabei während der Bildaufnahme erfolgen, sodass beispielsweise zunächst unentdeckte Kanten durch eine Erhöhung der Strahlungsleistung der Referenzstrahlung R sichtbar werden.
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In der 2 ist ein Referenzstrahlungskörper 6 dargestellt, dem ein Lichtmodulator 13 zugeordnet ist, der beispielsweise als LCD-Matrix ausgebildet ist. Hinter dem Lichtmodulator 13 ist eine Terahertz-Optik 14 angeordnet, die dann eine modifizierte Referenzstrahlung R' auf die Umschaltvorrichtung 8 abbildet. Mittels des Lichtmodulators 13 lässt sich nicht nur die Intensität bzw. Strahlungsleistung der Referenzstrahlung R variieren (indem beispielsweise das Transmissionsvermögen der LCD-Pixel variiert wird), sondern auch die Referenzstrahlung räumlich und zeitlich modulieren, indem beispielsweise nacheinander verschiedene Matrix-Muster an der LCD-Matrix eingestellt werden. Das Ergebnis ist eine modifizierte Referenzstrahlung R', deren zeitliche Abfolge für ein „Compressed Sensing“ verwendet werden kann.
